Demonstracja ogrzewania i chłodzenia napędzanego ciśnieniem przy użyciu wymiennika ciepła powlekanego MOF

Przekształcanie ciśnienia w ogrzewanie i chłodzenie

Utrzymanie komfortu w budynkach bez dodatkowego ocieplania planety staje się coraz większym wyzwaniem. Wiele powszechnych pomp ciepła wciąż działa przy wysokich ciśnieniach i używa czynników chłodniczych, które mogą szkodzić klimatowi. W tym badaniu zbadano inną drogę: użycie nieszkodliwego dwutlenku węgla (CO₂) i materiału o strukturze gąbki do wytwarzania ogrzewania i chłodzenia jedynie przez zmianę ciśnienia, a nie przez wrzenie i kondensację cieczy. Prace pokazują w laboratorium, że to rozwiązanie to nie tylko teoria — może szybko ogrzać lub schłodzić przepływającą wodę o kilka stopni przy stosunkowo umiarkowanych ciśnieniach.

Nowy sposób przemieszczania ciepła

Konwencjonalne pompy CO₂ zwykle pracują przy bardzo wysokich ciśnieniach i w warunkach nadkrytycznych, co sprawia, że urządzenia są grubsze, cięższe i bardziej skomplikowane. Badacze przetestowali zamiast tego koncepcję zwaną systemem hybrydowym kompresja–adsorpcja. W jego centrum znajduje się specjalny wymiennik ciepła: metalowa rura z żebrami, powleczona porowatym materiałem znanym jako metaliczno-organiczna rama, czyli MOF. Ten MOF (oznaczony jako MIL-101(Cr)) działa jak nanoskala gąbka, która może wchłaniać duże ilości CO₂ na swoich wewnętrznych powierzchniach. Gdy CO₂ adsorbuje się na MOF przy wyższym ciśnieniu, wydziela się ciepło; gdy ciśnienie spada i CO₂ odrywa się, pochłania ono ciepło. Jeśli woda przepływa wewnątrz rury podczas tych procesów, może być podgrzewana lub schładzana bez bezpośredniego kontaktu z gazem.

Jak działa system testowy

Zespół zbudował układ wsadowy: wymiennik ciepła powleczony MOF znajduje się wewnątrz szczelnego naczynia ciśnieniowego, połączonego z kompresorem i oddzielnym zbiornikiem gazu. Szybkie podniesienie ciśnienia CO₂ z 0,8 do 3,0 megapaskali zmusza CO₂ do wejścia w MOF, który się nagrzewa, a następnie ogrzewa wodę przepływającą przez rurę. Obniżenie ciśnienia powoduje odejście CO₂ z MOF, co je schładza i chłodzi wodę. W typowych warunkach testowych — woda o temperaturze pokojowej wpływająca przy umiarkowanym przepływie — system zmieniał temperaturę wody na wylocie o około plus lub minus 9 kelwinów (w przybliżeniu plus lub minus 9 °C), a niemal całe pobieranie lub uwalnianie CO₂ następowało w ciągu dwóch minut. Każdy cykl przenosił około 20 kilodżuli ciepła, z około 81% tej energii skutecznie przekazanej do wody.

Co kontroluje wydajność

Aby zrozumieć, jak uzyskać jak najwięcej z tego podejścia, badacze zmieniali kilka parametrów pracy. Wielkość skoku ciśnienia okazała się głównym czynnikiem całkowitego ogrzewania i chłodzenia: większe skoki i niższe ciśnienia bezwzględne prowadziły do większego przemieszczania się CO₂ w MOF i z powrotem, a zatem do silniejszych efektów termicznych. Zmiana szybkości narastania lub spadku ciśnienia głównie wpływała na ostrość szczytu temperatury, a nie na całkowitą energię przeniesioną na cykl. Podobnie temperatura wody na wlocie miała tylko niewielki wpływ, co potwierdza, że głównym źródłem ciepła jest adsorpcja i desorpcja CO₂ przez MOF, a nie proste ogrzewanie lub chłodzenie samego gazu. Natomiast szybkość przepływu wody miała silny wpływ na moc: szybszy przepływ nie powodował znacznego zwiększenia maksymalnej lub minimalnej temperatury wody, ale skracał czas trwania cyklu i zwiększał średnią moc grzewczą i chłodniczą.

Zajrzeć do wnętrza wymiennika ciepła

Ponieważ warstwa MOF i woda zmieniają temperaturę w czasie, standardowe wzory dla wymienników ciepła w stanie stacjonarnym nie wystarczają do przewidzenia zachowania. Autorzy zbudowali więc szczegółowy model komputerowy symulujący transport masy, pędu i energii w złożu MOF, metalowej rurze i wodzie. Skalibrowali model, używając znanych właściwości CO₂ w MIL-101(Cr) i porównali jego przewidywania z pomiarami. Dopasowanie było dobre: symulacje odtworzyły ewolucję temperatur MOF i wody wzdłuż rury oraz to, jak różne szybkości przepływu wody zmieniały moc grzewczą. Daje to pewność, że model można wykorzystać do projektowania i optymalizacji przyszłych urządzeń bez konieczności budowania i testowania każdej wersji.

Dlaczego to ma znaczenie dla przyszłych pomp ciepła

Eksperymenty i symulacje razem pokazują, że adsorpcja CO₂ napędzana zmianą ciśnienia może niezawodnie dostarczać użyteczne ogrzewanie i chłodzenie przy ciśnieniach poniżej punktu krytycznego CO₂, unikając niektórych wyzwań związanych z bezpieczeństwem i projektowaniem współczesnych systemów CO₂ o wysokim ciśnieniu. Prototyp pracuje w trybie wsadowym, a nie ciągłym, ale dowodzi podstawowej fizyki i pokazuje praktyczne ograniczenia, zwłaszcza konieczność poprawy wymiany ciepła po stronie wody. Przy lepszych konstrukcjach wymienników, wielu złożach pracujących sekwencyjnie i integracji z magazynowaniem ciepła, ta koncepcja może prowadzić do nowych klas pomp ciepła, które wykorzystują przyjazny dla klimatu CO₂ i zaawansowane materiały porowate do bezpieczniejszego i bardziej efektywnego ogrzewania i chłodzenia domów oraz budynków.

Cytowanie: Hu, MH., Boccamazzo, F., Shamim, J.A. et al. Demonstrating pressure-driven heating and cooling using a MOF-coated heat exchanger. npj Therm. Sci. Eng. 1, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44435-026-00006-5

Słowa kluczowe: pompa ciepła na dwutlenek węgla, chłodzenie adsorpcyjne, metaliczno-organiczna rama, chłodnictwo niskociśnieniowe, zrównoważone HVAC